Network Layer(!)

網絡層功能

網絡層里最核心的兩個功能是：路由(routing)與轉發(forwarding)

• 路由選擇：當分組開始從源主機發往目的主機，網絡層必須決定分組該采用的路由或路徑。（determine route taken by packets from source to dest. ）
• 分組轉發：當一個分組到達路由器輸入鏈路時，需要將該分組轉發到相應合適的輸出鏈路上。（move packets from router’s input to appropriate router output）

網絡層提供的兩種服務

網絡層可以為用戶提供兩種服務，一個是面向連接的服務，另一種則是無連接的服務。我們在現有的計算機網絡體系結構中，網絡層只能單獨提供其中一個服務，兩種服務同時提供是不存在的。網絡層提供的是主機到主機的服務，運輸層提供的是進程到進程的服務

在網絡層提供面向連接的計算機網絡被稱為虛電路網絡(virtual-circuit network),而提供無連接的計算機網絡則被稱為數據報網絡(datagram network)。

我們首先大致了解一下它們的特點：

虛電路網絡(virtual-circuit network)

雖然因特網是一個數據報網絡，但很多其他網絡體系結構（ATM、幀中繼）卻是虛電路網絡，因此在網絡層使用連接，這些網絡層連接被稱為虛電路。

虛電路的組成如下：1）源和目的主機之間的路徑（即一系列鏈路和路由器）2）VC號，沿著該路徑的每段鏈路一個號碼 3）沿著該路徑的每臺路由器中的轉發表項。

如圖所示，主機A請求網絡與主機B建立一條虛電路，假設虛電路選擇路徑A-R1-R2-B，并為這三條鏈路分配VC號12、22、32，這這種情況下，當這條虛電路中的分組離開主機A，VC值12，離開R1，VC值22，離開R2,值32

數據報網絡(datagram network)

在數據報網絡中，每當一個端系統要發送分組，就為該分組加上目的端系統的地址，然后將分組推進網絡中，無需建立任何虛電路，路由器不維護任何虛電路的狀態信息。

現在給兩者做個對比

路由器結構(Router architecture)

前面簡單的了解了一下轉發，現在詳細了解一下。話不多說，先上圖！

此圖應該清楚的說明了路由器的內部結構和工作原理，它有四種組件構成:

• Input ports [輸入端口]
• Output ports [輸出端口]
• Switching fabric [交換結構]
• Routing processor [路由選擇處理器]

輸入端口要完成查找功能，在這里通過查詢轉發表決定路由器的輸出端口，然后通過交換結構轉發到輸出端口。

在討論上述轉發機制的過程中，我們并沒有提及任何特定的計算機網絡，在此，我們應該了解一下，我們最常見的網絡-因特網。

先放上一張圖審視下網絡層內部

由此可知因特網的網絡層有三個主要組件：

1. IP協議
2. 路由選擇部分（計算和維護轉發表）
3. ICMP（報告數據報中的差錯和對默寫網絡層信息請求進行相應的設施）

我們一個一個看

IP部分

IPv4

IPv4，即普遍使用的IP協議，IP協議定義數據傳送的基本單元—IP分組及其確切的數據格式。

IPv4數據報格式：

Tips: 一個IP分組由首部和數據兩部分組成。首部的前一部分是固定長度的，共20字節，是所有IP分組必須具有的。在首部固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的，用來提供錯誤檢測及安全等機制。

IP數據包分片(fragmentation)

一個鏈路層數據報能承載的最大數據量稱為最大傳送單元（MTU）。因為IP數據報被封裝在鏈路層數據報中，故鏈路層的MTU嚴格地限制著IP數據報的長度，而且在IP數據報的源于目的地路徑上的各段鏈路可能使用不同的鏈路層協議，有不同的MTU。當IP數據報的總長度大于鏈路MTU，就需要將IP數據報中的數據分裝在兩個或更多個較小的IP數據報中，這些較小的數據報叫做片。

Expand: MTU:maximum transmission unit

下面是分片的舉例：

注意：為堅持網絡內核保持簡單的原則，IPv4的設計者決定數據報的重新組裝工作放到端系統中，而不是在網絡路由器中。

IPv4地址

連接在Internet中的每一臺主機（或路由器）都分配一個32比特的全球唯一的標識符，即IP地址。傳統的IP地址是分類的地址，分為A、B、C、D、E五類。都是由網絡號和主機號組成。

網絡號A：1-126 B：128-191 C：192-223 D：224-239 E：240-255

DHCP(the Dynamic Host Configuration Protocol)

我們先來看一下什么是DHCP，DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)，動態主機配置協議)它可以為客戶機自動分配IP地址、子網掩碼以及缺省網關、DNS服務器的IP地址等TCP/IP參數，簡單來說，就是在DHCP服務器上有一個數據庫，存放著IP地址、網關、DNS等參數。當客戶端請求使用時，服務器則負責將相應的參數分配給客戶端。以避免客戶端手動指定IP地址。

來看下DHCP的工作過程，我們可以叫它dora(不是動畫片里那個=-=):

   1.DHCP DISCOVER: 尋找服務器
　　當DHCP客戶端第一次登錄網絡的時候或者是開機時，此計算機發現本機上沒有任何IP地址設定，就會向網絡廣播去尋找DHCP服務器。該數據包的來源地址會為0.0.0.0，而目的地址則為255.255.255.255。
　　2. DHCP OFFER分配IP地址
　　當無線設備監聽到客戶端發出的尋找服務器的數據包后，它會從那些還沒有分配出的IP地址里，選擇最前面的的空閑IP，給客戶端一個分配IP地址，但這里僅僅是分配，客戶端還沒有真正應用上。
　　3. DHCP REQUEST 請求使用
　　客戶端收到無線設備發送回來的分配IP地址數據包，客戶端會向網絡發送一個ARP數據包，確認網絡中沒有其他機器使用該IP地址，如果已經有，則重復發送步驟1中的動作;如果沒有，則接受該IP地址，并發送一個DHCP request數據包給無線路由器，也就是DHCP服務器，請求使用此地址。
　　4. DHCP ACK IP地址分配確認
　　當無線設備接收到客戶端的DHCP request數據包之后，會向客戶端發出一個DHCP ACK回應，以確認IP地址的正式生效，也就結束了一個完整的DHCP工作過程。

Tips: DHCP是基于UDP的應用層協議,是即插即用的(plug-and-play)

NAT(network address translation)

網絡地址轉換（NAT）是通過將專用網絡地址轉換為公用地址，從而對外隱藏了內部管理的IP地址。它使得整個專用網只需要一個全球IP地址就可以與因特網連通，由于專用網本地IP地址是可重用的，所以NAT大大節省了IP地址的消耗。同時，它隱藏了內部網絡結構，從而降低了內部網絡收到攻擊的風險。

ICMP(internet control message protocol)

為了提高IP數據報交付成功的機會，在網絡層使用了網絡控制報文協議ICMP來允許主機或路由器報告差錯和異常情況。ICMP報文作為IP層數據報的數據，加上數據報的首部，組成IP數據報發送出去。ICMP協議是IP層協議。

IPv6

二話不說先扔圖。要解決IP地址耗盡的問題的措施有以下三種：1.采用無類別CIDR，使IP地址的分配更加合理；2.采用網絡地址轉換NAT方法以節省全球IP地址；3.采用具有更大地址空間的新版本IP協議IPv6。前兩者只是延長了IPv4地址分配結束的時間，只有第三種方法從根本上解決了IP地址的耗盡問題。

所以說如果考試問你這個你就會了是吧

IPv6的主要特點如下：
1）更大的地址空間。IPv6將地址從IPv4的32位增大到了128位
2）擴展的地址層次結構
3）靈活的首部格式
4）改進的選項
5）允許協議繼續擴充
6）支持即插即用（即自動配置）
7）支持資源的預分配

IPv6的最大特征還是在于它的保密性

Routing Algorithms

看到這里，大家可能又會倒吸一口涼氣，畢竟還是有很多人和我一樣看見算法就頭疼，筆者也是很擔心整理不好。前輩們你們是沒事可做嗎？為什么寫這么多概念？？？

我們舉步維艱，艱難地啃著概念...

那么問題來了，什么是路由算法？

你可能給出這樣的回答:是在給定一組路由器及連接路由器鏈路的情況下,找出一條由源節點到目標節點的最佳路徑。

我肯定會說你好棒棒

其實呢，路由算法分為兩大類:非自適應路由算法和自適應路由算法。非自適應路由算法典型代表就是靜態路由,而動態路由中所使用到的算法都屬于自適應路由算法。而路由表是存儲在路由器或者聯網計算機中的電子表格或類似的數據庫.路由表存儲著指向特定那個網絡地址的路徑。

幾種主要的路由算法:

　　　　靜態路由算法:

　　　　　　1.最短路徑路由算法(Shortest Path Routing).

　　　　　　2.擴散算法

　　　　動態路由算法:

　　　　　　1.距離矢量路由算法(Distance-Vector)

　　　　　　2.鏈路狀態路由算法(Link-State)

Tips:

距離矢量路由算法（Distance Vector Routing，DV）是ARPANET網絡上最早使用的路由算法，也稱Bellman-Ford路由算法和Ford-Fulkerson算法，主要在RIP（Route Information Protocol）協議中使用。我們可以記住一個常用的公式：d_x(y)=min{c(x,v)+d_vy}

鏈路狀態路由協議是目前使用最廣的一類域內路由協議。它采用一種“拼圖”的設計策略，即每個路由器將它到其周圍鄰居的鏈路狀態向全網的其他路由器進行廣播。其中我們會了解到迪杰斯特拉(Dijkstra)算法,它便是其中一種用法，其核心基于最短路徑。

我們這里不深入探討算法的內涵，考試沒那么變態，我們理解一些基本點就足夠

這兩種算法各有特點，分述如下：

1. 報文復雜性(message complexity)。LS算法要求每個節點知道網絡中每條鏈路的費用，DV算法要求在每次迭代時，在兩個直接相連的鄰居之間交換報文。
2. 收斂速度(speed of convergence)。優劣顯而易見
3. 健壯性(robustness)。如果一臺路由器發生故障，行為錯亂或受到破壞時情況會怎樣呢？對于LS算法，路由器能夠像其連接的的一條鏈路廣播不正確費用。一個節點也可損壞或丟棄他收到的任何LS廣播分組作為LS廣播的一部分。但是一個LS節點僅計算自己的轉發表：其他節點為自己做類似的計算。這就意味這在LS算法下，路由計算是有些孤立的，提供了一定程度的健壯性。在DV算法下，一個節點可向任意或所有的目的節點通告其不正確的最低費用路徑。DV算法中一個不正確的節點計算值會擴散到整個網絡。

Hierarchical routing

為了解決路由表的規模問題（scale）和實現辦公自動化（Administrative autonomy），我們來說明下分層路由的出現。

自治系統內部的路由選擇稱域內路由選擇，自治系統之間的路由選擇稱域間路由選擇。也就是我們常說的 intra-AS 和 inter-AS

因特網的路由協議

Intra-AS Routing(also known as interior gateway protocols [IGP])

我們來介紹常用的三種路由協議

RIP(Routing Information Protocol)

路由信息協議（RIP）是內部網關協議中最先得到廣泛應用的協議，是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協議，其最大優點就是簡單。缺點是RIP限制了網絡的規模，它能使用的最大距離為15（16為不可達），除此之外開銷很大。

OSPF (Open Shortest Path First)

開放最短路徑優先協議是使用分布式鏈路狀態路由算法的典型代表。OSPF收斂速度快，適應各種規模，將協議自身的開銷控制到最小，同時也具有良好的安全性。

Tips: OSPF是網絡層協議，它不使用UDP或TCP而是直接IP數據報傳送。

Intra-AS Routing：BGP

BGP (Border Gateway Protocol): 邊界網關協議是不同自治系統的路由器之間交換路由信息的協議。邊界網關協議常常應用于互聯網的網關之間。路由表包含已知路由器的列表、路由器能夠達到的地址以及到達每個路由器的路徑的跳數。

邊界網關協議BGP只能是力求尋找一條能夠到達目的網絡且比較好的路由，而并非要尋找一條最佳路由。BGP采用的是路徑向量路由選擇協議，它與距離向量協議和鏈路狀態協議有很大區別。BGP協議是應用層協議，基于TCP的。

而BGP又分為了兩種，我們迅速地看一下

eBGP —— (external Border Gateway Protocol) 外部邊界網關協議，用于在不同的自治系統間交換路由信息。

iBGP —— (internal Border Gateway Protocol)的主要作用是向你的內部路由器提供更多信息。iBGP路由器必須以全網狀結構相連，以防止路由環回。如果使用了路由反射器或路由聯盟，那么iBGP網狀結構可能遭遇收斂問題，而導致路由黑洞。

Broadcast and Multicast Routing

廣播路由選擇需要提供一種從源結點到網絡中的所有其他結點交付分組的服務。而多播是一對多的關系，是相對于子網的所有節點而言。

一筆帶過吧，說多了心痛。

Test

Q: 轉發表是如何得到的（what is the relationship between routing and forwarding）?

A: 路由選擇算法決定了插入路由器的轉發表的值，路由器接收路由選擇協議報文，該信息被用于配置其轉發表。(routing algorithm determines end-end-path through network,forwarding table determines local forwarding at this router)

Q: What are the three phases of virtual circuits?

A: 虛電路建立（VC setup）、 數據傳送（Data transfer）、虛電路拆除（VC teardown）

Q: how does network get subnet part of IP addr?

A: gets allocated portion of its provider ISP’s address space(獲取其提供程序ISP的地址空間的分配部分。)

Q: How do you migrate from IPV4 to IPV6?

A: 1.雙棧（dual-stack），2.建隧道(tunnel)

Link Layer and LAN

首先，能看到現在，我對你的生命力感到由衷的欽佩。

但是革命仍未結束，同志仍須努力

About Service

其設計的初衷就是順利為網絡層提供數據服務，不考慮可靠性，可靠性的部分由傳輸層的TCP協議實現

為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：

• 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層
• 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。

數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：

1. 點對點信道
2. 廣播信道（多用于LAN）

點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元為幀(frame)

點對點信道的數據鏈路層在進行通信時的主要步驟：
（1）結點A的數據鏈路層把網絡層交下來的IP數據報添加首部和尾部封裝成幀。
（2）結點A把封裝好的幀發送給結點B的數據鏈路層。
（3）若結點B的數據鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數據報上交給上面的網絡層；否則丟棄這個幀。

<center><font color="gray">網絡適配器之間的通信</font></center>

幀同步雖然可以區分每個數據幀的起始和結束，但是還沒有解決數據正確傳輸的兩方面問題：一、如果有幀出現了錯誤？二、如果有幀丟失了呢？這都是數據鏈路層確保向網絡層提供可靠數據傳輸服務時需要解決的問題，也就是數據鏈路層的差錯控制功能。

Error-Detection and -Correction Techiniques(錯誤檢測與糾正)

錯誤檢測

在數據鏈路層檢測數據傳輸錯誤的方法一般是通過對差錯編碼進行校驗來實現，常見的有奇偶校驗碼和循環冗余校驗（CRC）

Parity Checks

沒啥好說的，最后一位設置校驗位即可，我相信你懂

Cyclic Redundancy Checks

我們主要說說這個，循環冗余校驗是一種根據傳輸或保存的數據而產生固定位數校驗碼的方法，主要用來檢測或校驗數據傳輸或者保存后可能出現的錯誤。生成的數字在傳輸或者儲存之前計算出來并且附加到數據后面，然后接收端進行檢驗確定數據是否發生變化。（好像是考點，你最好看看）

CRC碼可能看起來是這個樣子

我們來舉一個CRC計算的例子方便入門

【說明】“模2除法”與“算術除法”類似，但它既不向上位借位，也不比較除數和被除數的相同位數值的大小，只要以相同位數進行相除即可。

緩一口氣，我們再看下一個對鏈路層很重要的問題：如何協調多個發送和接收節點對一個共享廣播信道的訪問？這就是多路訪問問題了。

Multiple access protocols

多路訪問協議大致分為3種：信道劃分協議（channel partitioning）、隨機接入協議（random access）和輪流協議（taking turns）。

信道劃分

TDMA: time division multiple access (時分多路復用)

TDM將時間劃分為時間幀，并進一步劃分每個時間幀為N個時隙。TDM消除了碰撞，而且非常公平（R/Nbps的速率）。但是它有兩個缺陷：節點被限制于R/Nbps的平均速率。節點必須等待它在傳輸序列中的輪次。

FDMA: frequency division multiple access (頻分多路復用)

FDM將Rbps信道劃分為不同的頻段（每個頻段具有R/N帶寬），并把每個頻率分配給N個節點中的一個。不過它跟TDM的優缺點一樣。

CDMA: code division multiple access (碼分多路復用)

我們后續在無線網中說到

隨機接入

在隨機接入協議中，一個傳輸節點總是以信道的全部速率（即Rbps）進行發送。當有碰撞時，涉及碰撞的每個節點反復地重發它的幀，直到該幀無碰撞地通過為止。但是當一個節點經受一次碰撞時，它不必立刻重發該幀。相反，它在重發該幀之前等待一個隨機時延。這里介紹最常用隨機接入協議，即ALOHA協議和載波偵聽多路訪問協議（CSMA）。

ALOHA

ALOHA又分為 Pure ALOHA 和 Slotted ALOHA

• 純ALOHA：簡單，當傳輸點有數據需要傳送的時候，它會向立即向通訊頻道傳送。可能會引發不少沖突(e_f=0.18，糟糕的傳輸率)
• 時隙ALOHA：這是對純ALOHA協議的一個改進。改進之處在于，它把頻道在時間上分段，每個傳輸點只能在一個分段的開始處進行傳送。每次傳送的數據必須少于或者等于一個頻道的一個時間分段。這樣很大的減少了傳輸頻道的沖突。效率是1/e=0.37

CSMA (carrier sense multiple access)

關于CSMA，如果比喻成與人談話，有禮貌的人談話有兩個重要規則：

第一：說話之前先聽。

第二：如果與他人同時開始說話，停止說話。

說話前先聽，也就是載波偵聽（carrier sensing），即一個節點在傳輸前先聽信道。如果來自另一個節點的幀正向信道上發送，節點則等待一段隨機時間后再偵聽信道。如果偵聽到時空閑的，則開始傳輸，否則再等待另一段隨機時間，繼續重復整個過程。

如果同時說話，那么都停止說話，在網絡領域中被稱為碰撞檢測（collision detection），即一個傳輸節點在傳輸時一直在偵聽信道，如果它檢測到另一節點正在傳輸干擾幀，它就停止傳輸，用某個協議來確定應該在什么時候再嘗試下一次傳輸。

這兩個規則包含在載波偵聽多路訪問（CSMA）和具有碰撞檢測的CSMA（CSMA with Collision Detection， CSMA/CD）協議族中。

Expand: CSMA/CD efficiency=1/(1+5t_prop/t_trans)

輪流協議

這里討論比較重要的兩種協議。第一種是輪詢協議（polling protocol），要求這些節點之一要被指定為主節點。主節點以循環的方式輪詢每個節點。輪詢協議消除了困擾隨機接入協議的碰撞和空時隙，使得輪詢取得高得多的效率。但也有缺點，第一個缺點是該協議引入輪詢時延，即通知一個節點它可以傳輸所需的時間。第二個缺點就是主節點有故障，整個信道將變得不可操作。第二種輪流協議是令牌傳遞協議(token-passing protocol)，在這個協議中沒有主節點。一個小的稱為令牌的特殊目的幀在節點之間以某種固定的次序進行交換。

polling

token-passing

link-Layer Addressing

MAC address

MAC（Medium/Media Access Control）地址，用來表示互聯網上每一個站點的標識符，采用十六進制數表示（hexadecimal (base 16) notation
），共六個字節（48位）。

ARP協議(Address Resolution Protocol)

直白的說法是：在IP以太網中，當一個上層協議要發包時，有了該節點的IP地址，ARP就能提供該節點的MAC地址。

Tips: ARP協議只使用于局域網中,點對點的連接是不需要ARP協議的,ARP協議的基本功能就是通過目標設備的IP地址，查詢目標設備的MAC地址，以保證通信的順利進行。

ARP協議的本質是完成網絡地址到物理地址的映射。從概念上將就是找到一個映射方法f,使得“物理地址 = f(網絡地址)“。物理地址有兩種基本類型：以太網類型和令牌環網類型。網絡地址特指IP地址，對映射方法的要求就是高效。

Ethernet

我們可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”

Tips: 這里不做過多講解，有興趣可以翻閱查看以太網的幀結構，只需知道它所用的MAC協議是CSMA/CD就好

Link-Layer Switches

老師說不是重點，所以祝愿各位自學成才

Test

Q: Where is the link layer implemented?

A: in a network adapter.(network interface card,NIC).

Q: LAN according to the topology which can be divided into several kinds?

A: 總線結構、環型結構、星型結構、網狀結構、樹型結構以及混合型結構。

Q: Why does the ARP query need to be sent in the broadcast frame?Why does the ARP response have to be sent in a frame containing a specific destination MAC address?

A：ARP查詢的目的是為了獲取目標主機的物理地址，在網絡通訊中，無明確地址的通訊只能通過廣播方式來進行。因為ARP響應對象在收到ARP廣播后向ARP廣播機器反饋自己的MAC信息就需要向ARP廣播方發送這個報文.而ARP廣播方是已知道MAC地址的,所以反饋信息的時候會帶上具體的MAC地址,如果該報文不帶具體MAC地址的話,將會引起連綿不絕的網絡風暴。

沒想到吧，你已經不知不覺看完了本書的許多重點，雖然你應該沒懂多少，但效果還是有的對吧。少俠留步，還有一些無線網和移動網的知識我們沒說，咱們下節繼續。

Wireless and Mobile Network

喜大普奔，我們迎來了最后一章，是不是內心還有點小竊喜，廢話說了很多，我們進入正題。

無線網絡（wireless network）是采用無線通信技術實現的網絡。無線網絡既包括允許用戶建立遠距離無線連接的全球語音和數據網絡，也包括為近距離無線連接進行優化的紅外線技術及射頻技術，與有線網絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網線，可以和有線網絡互為備份。

無線網絡的三個主要構成:

• Wireless hosts
• Wireless links
• Base station

特點：
1、有線：需要設備之間使用網線連接，這樣限制了設備之間的距離。
2、無線：通過無線協議實現數據傳輸或者網絡連接，一般室內50m范圍內可以全方位傳輸數據。不過無線容易被電磁波干擾，而且墻壁對信號削弱也比較大。
一般室內使用，建議直接無線。

無線網中極其重要的一個協議是CDMA，我們具體看看應用場景

WiFi: 802.11 Wireless LANs

IEEE 802.11是現今無線局域網通用的標準，兩個設備可以自行構建臨時網絡，也可以在基站(Base Station, BS)或者接入點(Access Point，AP)的協調下通信。為了在不同的通訊環境下取得良好的通訊質量，采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access／Collision Avoidance)的硬件溝通方式

Expands: 802.11和Wi-Fi技術并不是同一個東西。Wi-Fi標準是802.11標準的一個子集，并且是Wi-Fi聯盟負責管理

WLAN有以下三種網絡拓撲結構:

1) 獨立基本服務集(Independent BSS, IBSS)網絡(也叫ad-hoc網絡)
2) 基本服務集(Basic Service Set, BSS)網絡
3) 擴展服務集(Extent Service Set, ESS)網絡

AD-Hoc網絡

BSS網絡

對于個人PC來說，使用最多的所謂"無線Wi-Fi"指的就是BSS網絡模式，我們通過AP(Access Point)接入點來接入網絡

ESS網絡

其中，ESS中的DS(分布式系統)是一個抽象系統，用來連接不同BSS的通信信道(通過路由服務)，這樣就可以消除BSS中STA與STA之間直接傳輸距離受到物理設備的限制。

Tips: 記住每一個AP都有一個SSID(Service Set Identifier),SSID技術可以將一個無線局域網分為幾個需要不同身份驗證的子網絡，每一個子網絡都需要獨立的身份驗證，只有通過身份驗證的用戶才可以進入相應的子網絡，防止未被授權的用戶進入本網絡

Beyond 802.11:Bluetooth and WiMAX

藍牙：802.15協議，WiMAX：802.16協議

Celluar Internet Access

蜂窩網絡或移動網絡(Cellular network)是一種移動通信硬件架構，把移動電話的服務區分為一個個正六邊形的小子區，每個小區設一個基站，形成了形狀酷似“蜂窩”的結構，因而把這種移動通信方式稱為蜂窩移動通信方式。
蜂窩網絡又可分為模擬蜂窩網絡和數字蜂窩網絡，主要區別于傳輸信息的方式。

蜂窩網絡組成主要有以下三部分：移動站，基站子系統，網絡子系統。移動站就是網絡終端設備，比如手機或者一些蜂窩工控設備。基站子系統包括移動基站（大鐵塔）、無線收發設備、專用網絡（一般是光纖）、無線的數字設備等等的。基站子系統可以看作是無線網絡與有線網絡之間的轉換器。

便于理解，我們以GSM網絡為研究對象（找了半天，終于有張不錯的圖）

我們來分析下構成

GSM數字移動通信系統主要由移動交換系統NSS，基站子系統BSS，維護操作子系統OMS和移動臺MS構成，下面具體描述各部分的功能。

我們先從BSS看，BSS是NSS和MS之間的橋梁，主要完成無線通信管理和無線收發功能。BSS主要包括基站控制器BSC和基站收發信臺BTS兩個部分。

1. BSC（Base Station Controller）:基站控制器，處理所有的與無線信號有關的工作：小區的切換、無線資源管理等。位于MSC與BTS之間，具有對一個或者多個BTS進行控制和管理的功能，主要完成無線信道的分配、BTS和MS發射功率的控制以及越區信道切換等功能。BSC也是一個小型的交換機，它把局部網絡匯集后通過A接口與MSC相連。
2. BTS（Base Transceiver Controller）：基站收發信機，負責無線信號的收發。基站子系統的無線收發設備，由BSC控制，主要負責無線傳輸功能，完成無線與有線的轉換、無線分集、無線信道加密、跳頻等功能。BTS通過Abis接口與BSC相連，通過空中接口Um與MS相連。此外BSS系統還包括編碼變換和速率適配單元TRAU。TRAU通常位于BSC與MSC之間，主要完成16kbps的RPE-LTP編碼和64kbps的A律PCM編碼之間的碼型變換。

我們可以從圖中看到，一個cell的構成由Base station，Mobile user，和air-interface三個部分參與

再轉而去看NSS中的MSC，MSC（Mobile Service Switching Center）：移動業務交換中心，GSM系統的核心,完成基本交換的動作和通訊連接，是一個重要接口

其他部分不作詳細描述

之前可能遺漏的知識點

鏈路層提供的通信方式

串行通訊的基本概念:與外界的信息交換稱為通訊.基本的通訊方式有并行通訊和串行通訊兩種.

一條信息的各位數據被同時傳送的通訊方式稱為并行通訊.并行通訊的特點是:各數據位同時傳送,傳送速度快、效率高,但有多少數據位就需多少根數據線,因此傳送成本高,且只適用于近距離(相距數米)的通訊.

一條信息的各位數據被逐位按順序傳送的通訊方式稱為串行通訊.串行通訊的特點是:數據位傳送,傳按位順序進行,最少只需一根傳輸線即可完成,成本低但送速度慢.串行通訊的距離可以從幾米到幾千米.

根據信息的傳送方向,串行通訊可以進一步分為單工、半雙工和全雙工三種。信息只能單向傳送為單工;信息能雙向傳送但不能同時雙向傳送稱為半雙工;信息能夠同時雙向傳送則稱為全雙工

IP子網劃分

我們之前提到過ip地址劃分為5類，在日常網絡環境中，基本是都在使用B,C兩大類地址，而ADE這3類地址都不大可
能被使用到。

子網掩碼的簡單敘述：子網掩碼是一個32位地址，用于屏蔽IP地址的一部分以區別網絡標識和主機標識，并說明該IP地址是在局域網上，還是在遠程網上。

接下來我們可以看一下子網劃分的例子：

假如給你一個C類的IP地址段：
192.168.0.1-192.168.0.254，其中192.168.0 這個屬于網絡號碼，而1～254表示這個網段中最大能容納254臺電腦主機。我們現在要做的就是把這254臺主機再次劃分一下，將它們區分開來。

192.168.0.1-192.168.0.254默認使用的子網掩碼為255.255.255.0，其中的0在2進制中表示，8個0.因此有8個位置沒有被網絡號碼給占用，2的8次方就是表示有256個地址，去掉一個頭（網絡地址）和一個尾（主機地址），表示有254個電腦主機地址，因此我們想要對這254來劃分的話，就是占用最后8個0中的某幾位。

假如占用第一個0.那么2進制表示的子網掩碼為
11111111.11111111.11111111.10000000。轉換為10進制就為255.255.255.128，那么這時電腦主機應該為多少？其實很簡單，就是2的7次方了(不再是原來的2的8次方了），2的7次方=128，因此假如子網掩碼為255.255.255.128的話，這個C類地址可以被區分為2個網絡，每個網絡中最多
有128臺主機。 192.168.0.1-192.168.0.127為一個，192.168.0.128-192.168.0.255為第二個。

再舉個例子，假如還是C類地址，其IP范圍為192.168.0.1-192.168.0.254，假如子網掩碼255.255.255.192（也就是最后8為主機位，
被占用了2位，2進制表示為11111111.11111111.11111111.11000000），
那么這個網段的電腦主機數目就是2的6次方=64臺，總共有2的2次方=4個網段。第一個網段為192.168.0.1-192.168.0.63，第二個網段為192.168.0.64-192.168.0.127，第三個網段為192.168.0.127-192.168.0.191，第四個
網段為192.168.0.192-192.168.0.254。

如果你想結合實際情境去劃分，請戳Me

Summary

到此，我們整個計算機網絡就學習完畢了，不知道你從中看懂了多少，反正我是不抱太大期望。筆者雖然從頭寫了一遍，零零散散加起來歷時兩天，這個過程比較辛苦但也比較值得。能看到許多自己智商急需充值的地方我還是很欣慰的。至于各位的領悟程度，我只能從內心祝福我的朋友們能考試順利拿到高分（ji ge jiu hao）

另外對于其他的網友而言，你可以把它當作一篇由淺入深的筆記，里面網羅了許多知識，需要靜靜品讀，勤加思考才會有充足的收獲，切勿急躁，相信如果你全部理解，你一定是天縱之才！

-End

by:小栗子

參考作者博文：

計算機網絡層 / 傳輸層之多路復用與多路分解 / 可靠數據傳輸原理（上） / 可靠數據傳輸原理（下） /

計算機網絡傳輸層 / 網絡層學習筆記 / LS和DV算法的比較 / BGP講解 / 多路訪問協議 /

計算機網絡數據鏈路層 / ARP協議詳解 / 局域網&以太網 / 802.11協議幀 / GSM網絡結構 / 串口掃盲